Deep Learning in Label-free Cell Classification

人工智能 计算机科学 深度学习 管道(软件) 机器学习 支持向量机 特征(语言学) 模式识别(心理学) 语言学 哲学 程序设计语言
作者
Claire Lifan Chen,Ata Mahjoubfar,Li‐Chia Tai,Ian K. Blaby,Allen Huang,Kayvan Niazi,Bahram Jalali
出处
期刊:Scientific Reports [Nature Portfolio]
卷期号:6 (1): 21471-21471 被引量:472
标识
DOI:10.1038/srep21471
摘要

Label-free cell analysis is essential to personalized genomics, cancer diagnostics, and drug development as it avoids adverse effects of staining reagents on cellular viability and cell signaling. However, currently available label-free cell assays mostly rely only on a single feature and lack sufficient differentiation. Also, the sample size analyzed by these assays is limited due to their low throughput. Here, we integrate feature extraction and deep learning with high-throughput quantitative imaging enabled by photonic time stretch, achieving record high accuracy in label-free cell classification. Our system captures quantitative optical phase and intensity images and extracts multiple biophysical features of individual cells. These biophysical measurements form a hyperdimensional feature space in which supervised learning is performed for cell classification. We compare various learning algorithms including artificial neural network, support vector machine, logistic regression, and a novel deep learning pipeline, which adopts global optimization of receiver operating characteristics. As a validation of the enhanced sensitivity and specificity of our system, we show classification of white blood T-cells against colon cancer cells, as well as lipid accumulating algal strains for biofuel production. This system opens up a new path to data-driven phenotypic diagnosis and better understanding of the heterogeneous gene expressions in cells.
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